Un sistema di "imaging chimico" che utilizza un tipo speciale di raggio laser per penetrare in profondità nei tessuti potrebbe portare a tecnologie che eliminano la necessità di prelevare sangue per le analisi, compresi i test antidroga e la diagnosi precoce di malattie come il cancro e il diabete.

Il sistema, chiamato microscopia a proiezione Raman stimolata e tomografia, rende possibile "l'imaging volumetrico" senza utilizzare coloranti fluorescenti che potrebbero influenzare le funzioni biologiche e ostacolare l'accuratezza, disse Ji-Xin Cheng, un professore della Weldon School of Biomedical Engineering della Purdue University, Dipartimento di Chimica e Birck Nanotechnology Center.

"L'imaging chimico volumetrico consente una migliore comprensione della composizione chimica di sistemi biologici complessi tridimensionali come cellule, " Egli ha detto.

La tecnologia utilizza un tipo di raggio laser chiamato raggio Bessel, che mantiene la messa a fuoco per una distanza maggiore rispetto a un tradizionale "raggio gaussiano" utilizzato in altre tecnologie di imaging, permettendo di penetrare in profondità nei tessuti. La spettroscopia Raman stimolata elimina la necessità di coloranti fluorescenti. La tecnologia produce dati più accurati rispetto ad altri metodi perché consente l'imaging dell'intera cellula "sommando" i segnali prodotti dal raggio di scansione, Cheng ha detto.

Poiché il fascio di Bessel rende possibile l'imaging dei tessuti profondi, potrebbe portare a sistemi che eliminano la necessità di prelevare sangue per analisi come test antidroga e rilevamento di biomarcatori per la diagnosi precoce non invasiva delle malattie, Cheng ha detto.

"Questo è un obiettivo a lungo termine, " disse. "Nel frattempo, sono necessarie molte più ricerche per migliorare il sistema".

I ricercatori hanno dimostrato il concetto analizzando l'accumulo di grasso nelle cellule viventi. I risultati sono dettagliati in un documento di ricerca apparso il 24 aprile sulla rivista Comunicazioni sulla natura .

La tecnologia riportata fornisce informazioni sulla composizione chimica, raccogliendo una serie di immagini ruotando il campione e ricostruendo la struttura 3D attraverso algoritmi di ricostruzione dell'immagine.

Il fascio di Bessel è prodotto utilizzando una coppia di lenti "axicon" a forma di cono ed è combinato con un obiettivo da microscopio. Il suo utilizzo per l'imaging a fluorescenza volumetrica è stato precedentemente dimostrato dal fisico Eric Betzig, che ha vinto il Premio Nobel per la chimica nel 2014 per il suo contributo pionieristico alla microscopia a fluorescenza a super risoluzione. La tecnologia a super risoluzione consente ai ricercatori di risolvere caratteristiche strutturali molto più piccole della lunghezza d'onda della luce visibile, aggirando il "limite di diffrazione" che normalmente impedisce l'imaging di caratteristiche inferiori a circa 250 nanometri, che è grande rispetto a certe molecole e strutture biologiche nelle cellule.

Però, la microscopia a fluorescenza di solito richiede l'uso di tag fluorescenti, che possono interferire con i processi biologici e ostacolare l'accuratezza nella determinazione della struttura chimica.

La ricerca futura includerà lavori per aumentare la sensibilità di rilevamento del sistema e migliorare la qualità e la velocità delle immagini.

"Ci sono ampi margini di miglioramento, " Ha detto Cheng. "Il sistema è basato su un laser a femtosecondi ingombrante e relativamente costoso, che limita il suo potenziale di ampio uso e traduzione clinica. Tuttavia, prevediamo che questa limitazione possa essere aggirata attraverso innovazioni ingegneristiche per ridurre i costi e le dimensioni della nostra tecnologia. Notiamo inoltre che la trave di Bessel può essere prodotta utilizzando fibre, che potrebbe semplificare il sistema e consentire applicazioni endoscopiche".

Il documento è stato scritto da Xueli Chen, uno studioso in visita dalla Xidian University in Cina; Chi Zhang, associato di ricerca post-dottorato alla Purdue; gli studenti di dottorato della Purdue Peng Lin e Kai-Chih Huang; i ricercatori della Xidian University Jimin Liang e Jie Tian; e Cheng.